9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais

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1 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais A realização dos ensaios triaxiais saturados faz parte do escopo da tese de Ligocki (28). Foram realizados ensaios de compressão triaxial em amostras de diâmetro 5 cm e altura 1 cm em todos os níveis de intemperismo, com tensões normais que variam de 5 a 4 kpa (Ligocki, 28). O trabalho de Ligocki (28) pretende avaliar a influência do grau de intemperismo nos parâmetros de resistência dos solos. No presente estudo foram realizados apenas ensaios no solo de cor Marrom, o mais intemperizado. Esse solo foi ensaiado em condições saturadas e não saturadas. Esta escolha deve-se a três motivos principais: Facilidade de moldagem e execução dos ensaios: O solo Marrom é o mais intemperizado e, portanto, o mais argiloso dos solos que estão sendo estudados. Esta característica facilita a moldagem dos corpos-de-prova e, também, resulta em corpos-de-prova de dimensões mais uniformes. O solo Branco, por exemplo, por apresentar grãos maiores, tem uma superfície bastante rugosa, o que prejudica a avaliação da variação de volume do corpo-deprova. É a camada de solo mais homogênea: Em todos os ensaios mecânicos realizados, o solo Marrom apresenta maior uniformidade nos resultados e nos valores dos índices físicos determinados. É um solo que apresenta a curva característica delimitada por diferentes tamanhos de poros, característica essa importante nos solos residuais. Foram executados ensaios triaxiais de compressão axial com o objetivo de determinar a resistência saturada e a relação tensão-deformação. Os corpos de prova foram adensados isotropicamente e cisalhados não drenados, a uma taxa constante de cisalhamento. Os resultados desses ensaios são apresentados no item 9.1.

2 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 55 Ensaios não saturados foram executados com taxa de deformação constante e com tensão constante em valores de sucção de 5 kpa e 15 kpa. Foi avaliada a relação tensão-deformação dos corpos-de-prova. Os ensaios não saturados são apresentados no item Ensaios Triaxiais Saturados Equipamento Utilizado Os ensaios triaxiais não drenados de cisalhamento controlado foram executados na prensa tipo Bishop Wesley fabricada pelo Imperial College (Figura 9.2 e Figura 9.1). Nestes ensaios, uma amostra cilíndrica de razão entre altura e diâmetro igual a 2 é circundada por uma membrana de látex. A amostra é apoiada em uma base plana e seu topo e base são vedados por anéis o-ring. Esses elementos estão inseridos em uma célula cilíndrica, preenchida com água sob pressão (pressão confinante). Uma célula de carga do tipo Imperial College é utilizada para registrar a força desviadora aplicada no corpo-de-prova através da movimentação de um pistão da base (pressão RAM ). A célula de carga trabalha imersa em água, dentro da câmara triaxial e tem capacidade para 4,7 kn para corpos-de-prova de 38 mm. Conexões nas extremidades do corpode-prova permitem a drenagem, a medida da poro-pressão e a aplicação de pressão (contra-pressão). As medidas de tensão confinante e contra-pressão, foram realizadas com transdutores de pressão Keller de capacidade 15 psi (134 kpa) e resolução de 1 kpa. O deslocamento axial foi monitorado por instrumentos do tipo LVDT da marca Wykeham Farrance Ltda. de 25,4 mm de capacidade e resolução de,1 mm, instalados na parte externa da câmara triaxial. A variação volumétrica do corpo-de-prova foi determinada por um medidor do tipo Imperial College (Figura 9.4). A variação da quantidade de água corresponde à variação do volume da amostra se a amostra estiver saturada e a água é assumida como incompressível. Um transdutor do tipo LVDT (linearly variable differential transformer) é anexado ao medidor e permite a medida das deformações volumétricas, de capacidade 5 cm³ e resolução,3 cm³ (de Campos, 1985). A pressão confinante, a pressão RAM do pistão e a contra-pressão são supridas por um compressor de ar de capacidade de 9 kpa. A pressão de ar

3 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 551 fornecida pelo compressor é aplicada à amostra como pressão hidráulica através de um sistema de interface ar-líquido. A pressão é gerenciada por três motores de passo controlados por computador através dos dados recebidos dos instrumentos de medição e de uma programação interna. Os deslocamentos locais axiais do corpo-de-prova são medidos por dois transdutores do tipo eletronível, como descrito por Jardine et al. (1984). Eles consistem de um líquido eletrolítico em uma cápsula de vidro protegidos por um cilindro de aço inoxidável. Três eletrodos co-planares dentro da cápsula e parcialmente imersos no fluido medem as variações na impedância produzidas pela inclinação da cápsula. A variação na voltagem de saída do eletronível pode ser convertida em variação da distância entre as sapatas dos braços do eletronível, de acordo com uma curva de calibração, a qual é determinada com o auxílio de um micrômetro. A resolução do eletronível é de 1 μm.a variação radial do corpo-de-prova foi monitorada através de transdutores radiais locais fabricados pelo Imperial College (Figura 9.3). O programa de controle da prensa foi desenvolvido no Imperial College por David Toll (de Campos, 28), e monitora as pressões e os deslocamentos, controla as tensões e deformações e permite ao usuário definir os estágios do ensaio triaxial com trajetória de tensões controlada ou sob deformação axial controlada. Figura 9.1 Prensa triaxial tipo Bishop Wesley.

4 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 552 CÉLULA DE CARGA LVDT externo CAP LVDT local PRESSÃO CONFINANTE CONTRA- PRESSÃO CÂMARA DE PRESSÃO AXIAL VARIAÇÃO DE VOLUME BOMBA HIDRÁULICA MOTORIZADA (CRSP) CONTROLADOR DE PRESSÃO INTERFACES AR-ÁGUA CONTROLADOR DE PRESSÃO CONVERSOR ANALÓGICO- DIGITAL CONVERSOR ANALÓGICO- DIGITAL CONTROLADOR DE PRESSÃO Figura 9.2 Esquema do equipamento triaxial.

5 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 553 (a) (b) Figura 9.3 Instrumentos de medidas de deformação interna. (a) Eletronivel. (b) Medidor de deformação radial. PARA O CORPO-DE- PROVA FORNECIMENTO DE ÁGUA LVDT O RING PISTÃO BELLOFRAM SISTEMA DE PRESSÃO Figura 9.4 Medidor de variação de volume (de Campos, 1981; de Campos, 1985).

6 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais Metodologia Empregada Neste trabalho foram realizados 3 ensaios triaxiais convencionais, de cisalhamento controlado, não drenados. Os ensaios foram executados com amostras do solo Marrom, moldadas de dois blocos, com corpos de prova adensados isotropicamente a tensões de confinamento efetivas iniciais de 2 kpa, 2 kpa e 4 kpa. A saturação dos corpos-de-prova foi efetuada por percolação e contrapressão. Inicialmente foram percolados 5 cm³ de água no corpo-de-prova aplicando-se uma tensão confinante de 4 kpa, pressão na base de 2 kpa e pressão no topo da amostra de kpa. Após a percolação foi aplicada no corpode-prova, sob condições não drenadas, uma pressão confinante de 1 kpa durante aproximadamente 1 hora, para a determinação da pressão inicial do transdutor de poro-pressão. Após essa etapa inicial, dava-se início a uma rampa de saturação. A saturação do solo foi atingida através de aplicações sucessivas de contra-pressão na base dos corpos-de-prova. A tensão confinante e a contrapressão foram aumentadas a uma taxa de 1 kpa/hora. Uma vez concluída a rampa de saturação, procedia-se a uma verificação do parâmetro B de poropressão. Se o valor de B era superior a,96 considerava-se o corpo-de-prova saturado, se inferior a esse valor iniciava-se uma nova rampa de saturação. O período total de saturação dos corpos-de-prova foi de aproximadamente 4 dias. Após a saturação, os corpos-de-prova foram adensados isotropicamente, mantendo-se a pressão de câmara constante e baixando a contra-pressão. Durante o adensamento, a drenagem se deu pela base. A análise da evolução da curva variação de volume versus raiz quadrada do tempo permitia identificar o término do adensamento primário. O estágio de adensamento durava poucos minutos. Apenas o ensaio de 2 kpa não teve estágio de adensamento, pois a tensão efetiva de 2 kpa foi a tensão ao término do estágio de saturação. Os gráficos a seguir mostram a variação volumétrica, radial e axial dos corpos-deprova durante o estágio de adensamento.

7 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 555 -,5 Variação (%) -1-1,5-2 deformação volumétrica deformação radial deformação axial -2,5-3 -3, Tempo (minutos) Figura 9.5 Variação volumétrica do corpo-de-prova durante adensamento de 2 kpa. -,5 deformação volumétrica deformação radial deformação axial Variação (%) -1-1,5-2 -2, Tempo (minutos) Figura 9.6 Variação volumétrica do corpo-de-prova durante adensamento de 4 kpa. Os ensaios foram todos executados com velocidade de carregamento igual a 1 kpa/hora, velocidade bastante reduzida de modo a identificar pequenas deformações que o solo poderia apresentar. A velocidade de cisalhamento adotada está bastante abaixo da velocidade recomendada por Blight (1964, apud Head, 1998).

8 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 556 Os ensaios foram executados até a deformação de 12%, com as leituras sendo registradas a cada 1 minutos. Ao fim do ensaio o corpo de prova foi cuidadosamente retirado para a determinação da umidade final. As curvas tensão-deformação foram traçadas com os valores de deformação axial obtidos dos medidores de deformação internos (eletroníveis). A deformação através destes instrumentos é mais precisa e, para os solos estudados apresenta grande diferença de valores quando comparada com a deformação determinada por instrumentos convencionais (LVDT externo), conforme mostra a Figura Tensão cisalhante (kpa) medidor externo medidor interno Deformação axial (%) 12 Figura 9.7 Comparação de resultados entre medidor de deformação externo (LVDT) e interno (eletronível) Resultados Obtidos Os dados iniciais dos corpos-de-prova submetidos aos ensaios triaxiais CIU, tais como teor de umidade inicial e final, peso específico, porosidade, índice de vazios, grau de saturação, nível de tensão efetiva a que os mesmos foram submetidos ao final do adensamento e o parâmetro de poro-pressão de Skempton determinados ao final do processo de saturação (B) são apresentados na Tabela 9.1.

9 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 557 Tabela 9.1 Dados dos ensaios triaxiais CU. Ensaio 2 kpa 2 kpa 4 kpa Umidade Inicial (%) 29,9 25,2 2,61 Umidade Final (%) 38,95 35,31 35, Peso Específico Natural (kn/m³) 18,46 18,79 16,31 Peso Específico Seco (kn/m³) 14,21 15, 13,53 Porosidade 47,37 44,45 49,9 Índice de Vazios,9,8 1, Grau de Saturação Inicial (%) 89,76 85,18 55,87 Peso Específico Real dos Grãos (kn/m³) 26,56 26,56 26,56 Tensão Efetiva no Ensaio (kpa) B após saturação,97,98,96 Nas figuras a seguir apresentam-se as curvas de tensão cisalhante versus deformação axial, variação de poro-pressão versus deformação axial e tensão média efetiva p versus q para as três tensões efetivas ensaiadas. Para nenhuma das tensões efetivas a curva tensão x deformação apresentou um pico de tensão (Figura 9.8). Após a ruptura geral do corpo-deprova, com a formação do plano de ruptura, a tensão axial caía rapidamente, e o programa na tentativa de manter a trajetória com o aumento de tensão com o tempo, aumentava rapidamente o deslocamento do pistão, provocando grande deformação no material. Ao término do ensaio foram registradas deformações da ordem de 3%, e tensões cisalhantes de valor inferior à metade da tensão máxima observada para as deformações de até 12%. Como era de se esperar, quanto maior a pressão efetiva maior é o valor da tensão desviadora para um mesmo valor de deformação, com exceção para as as deformações superiores a 11% onde a curva de 2 kpa ultrapassa a curva de 4 kpa. Este fato pode ser decorrente de erros da determinação da tensão vertical devido à formação de planos de cisalhamento. Nas curvas tensão cisalhante versus deformação axial normalizada observa-se que a curva de 2 kpa distancia-se das demais (Figura 9.9). Esse comportamento em solos sedimentares estaria associado ao sobreadensamento do material. Em solos residuais, tal conduta pode indicar que nesta tensão efetiva o solo encontra-se abaixo da sua tensão de cedência (quebra de estrutura). Na Figura 9.1 está apresentada a variação de poro-pressão durante os ensaios. Observa-se que para a tensão de 2 kpa o solo apresentou variação de poro-pressão negativa, enquanto que para as pressões de 2 kpa e 4 kpa a variação de poro-pressão foi positiva. A geração de poro-pressão negativa indica também o estado de tensão abaixo da máxima tensão de campo, ou, no caso dos solos residuais abaixo da tensão de cedência.

10 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 558 Após uma deformação em torno de 8% os valores de poro-pressão apresentam-se praticamente constantes para a tensão de 4 kpa, estabilizando-se em 27 kpa. Para a tensão de 2 kpa a poro-pressão tem um pequeno decréscimo e a poro-pressão do corpo-de-prova adensado para a tensão de 2 kpa apresenta valores sempre decrescentes (negativos). Essas tendências podem ser melhor visualizadas na Figura 9.11 com a variação da poro-pressão normalizada pela pressão efetiva inicial versus a deformação axial. O aumento da poro-pressão negativa (ou o decréscimo da poro-pressão positiva) implica em aumento da tensão efetiva e conseqüente aumento da resistência do corpo-de-prova, fato que pode ser observado na Figura Tensão cisalhante (kpa) kpa 2 kpa 4 kpa Deformação axial (%) 12 Figura 9.8 Curvas tensão cisalhante x deformação axial dos ensaios triaxiais Tensão cisalhante / tensão efetiva inicial Deformação axial (%) 2 kpa 2 kpa 4 kpa 12 Figura 9.9 Curvas tensão cisalhante x deformação axial normalizada dos ensaios triaxiais.

11 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais Variação de poro-pressão (kpa) kpa 2 kpa 4 kpa Deformação axial (%) 12 Figura 9.1 Curvas variação de poro-pressão x deformação axial dos ensaios triaxiais. 2 Variação de poro-pressão / tensão efetiva inicial 1,5 1,5 -,5-1 -1,5 2 kpa 2 kpa 4 kpa Deformação axial (%) 12 Figura 9.11 Curvas variação de poro-pressão x deformação axial normalizada dos ensaios triaxiais. No gráfico de p x q, a trajetória de tensão do material adensado para a tensão efetiva de 2 kpa tende para a direita. Para o corpo-de-prova adensado para a tensão de 4 kpa a trajetória segue uma direção quase vertical, inclinando-se para a direita quando, provavelmente atinge a envoltória de ruptura. O corpo-de-prova adensado para a tensão de 6 kpa apresenta uma trajetória direcionada para a esquerda desde o início da compressão. Os eixos de tensões utilizados na apresentação dos resultados gráficos correspondem a q = (σ 1 -σ 3 ) e p = (σ 1 +σ 3 )/2.

12 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais q (kpa) kpa 2 kpa 4 kpa p' (kpa) Figura 9.12 Curvas p x q dos ensaios triaxiais. Como o comportamento de solos residuais é extremamente dependente da sua origem e processos de formação, a comparação de características de resistência entre solos originários de rochas distintas não é razoável. E mesmo sendo procedente do mesmo tipo de rocha, o meio de alteração é distinto e a comparação de comportamentos é dificultada pela identificação do grau de intemperismo. Mas, como esse ainda não é um assunto completamente dominado na geotecnia e, com o conhecimento dessas restrições, faz-se aqui uma análise dos resultados obtidos com alguns outros dados de ensaios triaxiais provenientes da literatura realizados em solos residuais de gnaisse com o objetivo de fornecer dados para estudos posteriores. Fonseca (2) realizou ensaios CIU em amostras de um solo saprolítico (residual de gnaisse) exposto por um processo erosivo coletado da Bacia do Rio Maracujá (Ouro Preto/MG). Os resultados obtidos por esse pesquisador estão mostrados na Figura 9.13 juntamente com as curvas triaxiais do presente trabalho. As curvas tensão desviadora versus deformação axial têm comportamento similar: nenhuma apresenta pico de resistência, e o excesso de poropressão foi sempre positivo (não apresentado). Observa-se que as curvas de Fonseca (2) apresentam comportamento inicial menos rígido do que o solo Marrom, isto pode ser decorrente da não utilização de medidores locais de deformação.

13 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais Tensão cisalhante (kpa) kpa 2 kpa 4 kpa Deformação axial (%) Figura 9.13 Comparação entre as curvas de cisalhamento de um solo saprolítico de Ouro Preto (Fonseca, 2) e o solo Marrom. Futai (22) realizou ensaios triaxiais também em solos residuais de gnaisse coletados da mesma localidade dos solos de Fonseca (2), mas de diferentes profundidades. As características físicas dos materiais estão apresentadas na Figura O horizonte B é bastante poroso e cimentado por laterização, enquanto o horizonte C é composto por caulinita, mica e quartzo não cimentados. Os resultados dos ensaios não-drenados executados em solos coletados nas profundidades de 1 m, 3 m e 5 m estão reproduzidos na Figura 9.15.

14 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 562 Figura 9.14 Variação das características físicas do perfil de solo residual de Ouro Preto (Futai, 22). O comportamento das curvas dos ensaios CIU das amostras de 1m de profundidade varia pouco. A tensão desviadora aumenta com rigidez elevada até o pico e a condição pós-pico cai para um patamar de escoamento plástico bem definido, coincidindo com a estabilização do excesso de poro-pressão, que desde o início do ensaio é positiva. Os resultados dos ensaios não-drenados executados nas amostras de 3m de profundidade refletem a mudança de estrutura do horizonte B (amostra de 1 metro) para o horizonte C (Futai, 22). A tensão de escoamento hidrostático desse solo é de 18 kpa (Futai, 22). Por isso, somente o corpo-de-prova adensado com 25 kpa apresenta comportamento sobre-adensado, gerando excesso de poro-pressão negativa durante o cisalhamento. As curvas tensão-deformação dos ensaios CIU dos solos coletados a 5 metros de profundidade atingiram as máximas tensões desviadoras com picos na curva tensão-deformação, seguidas de perda de resistência em todos os ensaios realizados (até 69 kpa). O pico de resistência é acompanhado de um decréscimo no excesso de poro-pressão nos ensaios adensados com até 2 kpa, chegando a gerar valores negativos para ensaios adensados com tensões inferiores a 1 kpa, o que explica o ganho de resistência. As curvas tensão-deformação dos ensaios com maior tensão efetiva geraram poro-pressão crescente até um patamar de estabilização.

15 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 563 (a) (b) (c) Figura 9.15 Ensaios CIU realizados em solos residuais de gnaisse de Ouro Preto, coletados em diferentes profundidades. (a) Solo coletado a 1 metro de profundidade. (b) Solo coletado a 3 metros de profundidade. (c) Solo coletado a 5 metros de profundidade. (Futai, 22). As características físicas e de resistência do solo de 3 metros de profundidade são mais próximas do solo Marrom e as curvas tensão-deformação desses dois solos são apresentadas em conjunto na Figura Observa-se que as tensões efetivas são similares, mas a resistência do solo de Ouro Preto para tensões de 2 kpa e 4 kpa é superior. Foram apresentados apenas alguns exemplos de ensaios realizados por outros pesquisadores. A correta comparação entre comportamentos de solos residuais deve ser feita com a quantificação do grau de intemperismo desses materiais. É necessária maior pesquisa na área para que essa quantificação possa ser realizada.

16 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais Tensão cisalhante (kpa) kpa 2 kpa 4 kpa Deformação axial (%) Figura 9.16 Comparação entre as curvas de cisalhamento de um solo saprolítico de Ouro Preto, coletado a 3 metros de profundidade (Futai, 22) e o solo Marrom Comportamento Tensão-Deformação Todos os materiais geotécnicos apresentam algum tipo de estrutura proveniente de sua formação ou origem (Vaughan, 1985; Leroueil e Vaughan, 199; Burland, 199; Sandroni, 1981 apud Martins, 21; Sandroni, 1985). A estrutura pode advir tanto de ligações entre partículas quanto do arranjo de grãos e resulta em composições de diferentes intensidades de vínculo entre as partículas. Esse material estruturado, quando submetido a um carregamento de compressão ou de cisalhamento, apresenta um comportamento com elevada rigidez inicial, até que o carregamento compromete a estrutura, gerando um dano irreversível à mesma. Esta mudança de rigidez é associada à plastificação da estrutura. A plastificação da estrutura do solo pode ocorrer de modo gradual e, portanto, ser de difícil identificação através de ensaios convencionais. Por isso, é importante a medida de deformação com instrumentos locais e a mínima perturbação possível da estrutura no processo de amostragem e preparação dos corpos-de-prova. Ainda, alguns gráficos não convencionais têm sido utilizados por pesquisadores para identificar a mudança de rigidez dos solos como: gráfico bi-log de tensão desviadora versus deformação axial (Vaughan, 1988); módulo

17 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 565 de deformabilidade versus deformação axial (Martins, 1994 apud Martins, 21) e deformação axial versus deformação radial (Martins, 21). O comportamento tensão-deformação para pequenas deformações é analisado neste item através das curvas tensão cisalhante versus deformação axial e deformação axial versus deformação radial. As medidas de deformação axial e radial são provenientes de medidores locais de deformação. Apresenta-se nas próximas figuras, para as tensões efetivas de 2 kpa, 2 kpa e 4 kpa, as curvas tensão cisalhante versus deformação axial e deformação axial versus deformação radial em dois gráficos com diferentes escalas. Para a tensão efetiva de 2 kpa, a análise das curvas tensão cisalhante versus deformação axial e deformação axial versus deformação radial permite a determinação de mudanças de comportamento do corpo-de-prova durante a compressão triaxial. No primeiro gráfico, Figura 9.17, dois pontos bem definidos da curva são delimitados: 1º o final do patamar de E constante (na curva tensão x deformação), na deformação axial de,21%; 2º o início de maior deformação radial (na curva deformação axial x deformação radial), na deformação axial de 1,1%. Aumentando-se a escala do gráfico, observa-se que ocorrem mudanças na curva de deformação axial versus deformação radial nas deformações de:,7% e,19% (setas vermelhas na Figura 9.18). Na figura seguinte, as mesmas curvas são apresentadas para a tensão efetiva de 2 kpa. Na Figura 9.19, o ponto do final do patamar de E constante e o início de maior deformação radial são delimitados, respectivamente, pelas deformações axiais de,37% e 1,3%. Do mesmo modo podem ser delimitadas mudanças de comportamento para as deformações de,7% e,4% na curva deformação axial versus deformação radial na Figura 9.2. Para a tensão efetiva de 4 kpa, os pontos do final do patamar de E constante e o início de maior deformação radial são delimitados pelas deformações axiais de,9% e 1,1% (Figura 9.21). Na Figura 9.22 observa-se mudança na deformação de,18% (na curva de deformação axial versus deformação radial).

18 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais , 33 3 A final do patamar E constante B início de maior deformação radial 1,8 1,6 27 Tensão cisalhante (kpa) A B 1,4 1,2 1,,8,6 Deformação radial (%) 6 3 cisalhante radial,4,2,,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Deformação axial (%) Figura 9.17 Curvas tensão cisalhante versus deformação axial (medidor interno) e deformação axial (medidor interno) versus deformação radial (medidor radial) para a tensão efetiva de 2 kpa, escala , A final do patamar E constante B início de maior deformação radial,9,8 Tensão cisalhante (kpa) A B,7,6,5,4,3 Deformação radial (%) 6 3 cisalhante radial,2,1,,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Deformação axial (%) Figura 9.18 Curvas tensão cisalhante versus deformação axial (medidor interno) e deformação axial (medidor interno) versus deformação radial (medidor radial) para a tensão efetiva de 2 kpa, escala 2.

19 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais , 33 3 A final do patamar E constante B início de maior deformação radial 1,8 1,6 27 Tensão cisalhante (kpa) A B cisalhante radial 1,4 1,2 1,,8,6,4,2 Deformação radial (%),,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Deformação axial (%) Figura 9.19 Curvas tensão cisalhante versus deformação axial (medidor interno) e deformação axial (medidor interno) versus deformação radial (medidor radial) para a tensão efetiva de 2 kpa, escala A final do patamar E constante B início de maior deformação radial 1,,9,8 Tensão cisalhante (kpa) A B,7,6,5,4,3 Deformação radial (%) 6 cisalhante radial,2 3,1,,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Deformação axial (%) Figura 9.2 Curvas tensão cisalhante versus deformação axial (medidor interno) e deformação axial (medidor interno) versus deformação radial (medidor radial) para a tensão efetiva de 2 kpa, escala 2.

20 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais , Tensão cisalhante (kpa) A B A final do patamar E constante B início de maior deformação radial 4 kpa 4 kpa radial 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4 Deformação radial (%) 3,2,,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Deformação axial (%) Figura 9.21 Curvas tensão cisalhante versus deformação axial (medidor interno) e deformação axial (medidor interno) versus deformação radial (medidor radial) para a tensão efetiva de 4 kpa, escala , 27 A final do patamar E constante B início de maior deformação radial,9 24,8 Tensão cisalhante (kpa) A B cisalhante radial,7,6,5,4,3,2 Deformação radial (%) 3,1,,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Deformação axial (%) Figura 9.22 Curvas tensão cisalhante versus deformação axial (medidor interno) e deformação axial (medidor interno) versus deformação radial (medidor radial) para a tensão efetiva de 4 kpa, escala 2.

21 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 569 As mudanças de comportamento identificados pela curva tensão cisalhante versus deformação axial, ou pela curva deformação radial versus deformação axial pela mudança brusca de direção são apresentados na Tabela 9.2, em função da deformação axial e da tensão cisalhante no ponto. Tabela 9.2 Pontos de mudança de comportamento na deformação axial. Pontos de mudança de direção Ensaio Deformação axial (%)/ Tensão cisalhante (kpa) Final do patamar Início de maior de E constante deformação radial Outros pontos de mudança 2 kpa,23% / 28 kpa 1,14% / 8 kpa,19% / 25 kpa,7% / 13 kpa 2 kpa,43% / 11 kpa 1,3 % / 164 kpa,7% / 27 kpa,4% / 98 kpa 4 kpa,11% / 67 kpa 1,% / 21 kpa,19% / 95 kpa - Esses pontos podem ser sugeridos como um padrão de comportamento observado para os ensaios de compressão axial saturados e são identificados como: Final do trecho elástico linear (possivelmente a superfície de plastificação Y1 proposta por Jardine et al., 1991), sob a legenda A ; Final do patamar em que o coeficiente de Poisson se mantém aproximadamente constante com o aumento da deformação radial, sob a legenda B ; Conforme observado nas curvas e na Tabela 9.2 existem outros pontos de mudança de comportamento das curvas tensão-deformação e deformação axialdeformação radial, mas que não são observados em todos os corpos-de-prova e, por isso não são tomados como padrão de comportamento. A partir da medida interna de deformação axial e radial podem ser determinados o módulo de deformação inicial e o coeficiente de Poisson dos corpos-de-prova. A Figura 9.23 apresenta a variação do módulo elástico secante com a deformação axial para os ensaios saturados. O módulo foi calculado pela razão entre a tensão cisalhante e a deformação axial para cada ponto da curva tensão deformação. Para pequenas deformações axiais o valor calculado do módulo apresenta valores bastante altos. Quanto maior a tensão efetiva do ensaio, maior é o valor do módulo inicial e, com o aumento da deformação axial esse valor diminui consideravelmente. Quanto maior é o valor do módulo inicial,

22 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 57 maior é a queda com a deformação do corpo-de-prova. Para determinação de um módulo de deformação inicial, estipulou-se a deformação axial de,2%. Para a tensão de 4 kpa o módulo inicial é de 49 MPa, para a tensão de 2 kpa o módulo inicial é de 34 MPa e para a tensão efetiva mais baixa, de 2 kpa, o módulo inicial é de 12 MPa kpa 2 kpa 2 kpa Módulo E (MPa) ,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Deformação axial (%) Figura 9.23 Variação do módulo secante com a deformação axial para o ensaio saturado com tensão efetiva de 2, 2 e 4 kpa. Existem poucos registros na literatura sobre as características de deformação de solos residuais com medida de deformação interna. Reis (24) relata a variação do módulo de elasticidade, obtido para um nível de tensão correspondente a 5% da tensão de ruptura do material, para um solo residual jovem e um solo residual maduro de gnaisse de Viçosa/MG. O módulo de elasticidade do solo residual jovem aumentou com a tensão confinante até ela alcançar o valor de 25 kpa, que é próximo da tensão de cedência determinada no ensaio de compressão hidrostática. Para valores superiores a essa tensão de cedência o módulo decresce levemente. Para o solo maduro não há uma tendência definida para a variação do módulo, que varia entre 7,66 MPa e 24,72 MPa para tensões efetivas entre 5 kpa e 25 kpa. Reis (24) considera a hipótese da heterogeneidade do solo maduro, função da porosidade e da cimentação, para explicar a variação do módulo de deformação. Marinho (1986) avaliou a variação do módulo de deformação em um solo coluvionar e um solo saprolítico de gnaisse do Campo Experimental da PUC-Rio. O colúvio foi coletado de 3,6 m de profundidade e apresenta 61% de argila, e o

23 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 571 solo saprolítico foi coletado de 7,6 m de profundidade e apresenta 39,3% de areia. O módulo de deformação tangente inicial determinados para o colúvio adensado para 1 kpa foi de 11 MPa, e para o solo saprolítico adensado para 15 kpa foi de 32 MPa. De Campos e Marinho (1986) citam diferenças de até 1 vezes para o módulo tangente inicial quando as deformações são realizadas com medidores locais de deformação e medidores externos para módulos de deformação inicial. Esses pesquisadores também declaram que os erros passam a ser desprezíveis para módulos secantes determinados a níveis de tensão cisalhante maiores que cerca de 25% do valor máximo de q. Os valores de coeficiente de Poisson em função da deformação axial para os três níveis de tensão efetiva investigados foram determinados a partir das curvas de deformação radial versus deformação axial obtidas dos medidores de deformação internos. Para valores de deformação axial superiores a,2% o coeficiente de Poisson torna-se um valor praticamente constante e são esses valores que foram considerados como representativos do solo estudado. Para a tensão efetiva de 2 kpa o coeficiente de Poisson do corpo-de-prova é igual a,2. Para a tensão de 2 kpa esse parâmetro é igual a,35, enquanto que para a tensão de 4 kpa esse valor é de,3. A Tabela 9.3 resume os parâmetros de deformação do solo Marrom saturado, para as tensões efetivas dos ensaios. Tabela 9.3 Parâmetros de deformação do solo saturado. Ensaio E secante (Mpa) (ε a =,2%) ν 2 kpa 12,2 2 kpa 34,35 4 kpa 49, Resistência ao Cisalhamento A determinação das envoltórias de ruptura e parâmetros de resistência saturados do solo passa pela escolha do critério de ruptura a ser utilizado. Os critérios de ruptura convencionais para os quais se pode determinar a resistência do solo são: Tensão desviadora de pico (1);

24 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 572 Máxima razão das tensões principais (2); Deformação limite (3); Estado crítico (4); Estado residual (5). Estes critérios estão ilustrados na Figura 9.24 a seguir. PICO (1) TENSÃO DESVIADORA (1) (2) (3) (4) (5) CRÍTICA (4) RESIDUAL (5) RESISTÊNCIA CONSTANTE ε lim DEFORMAÇÃO ε DEFORMAÇÃO LIMITE (3) / 1 3 ΔV ou Δu σ σ MÁXIMA RAZÃO DE TENSÕES (2) DEFORMAÇÃO ε ΔV CONSTANTE (DRENADO) Δvf ou Δuf Δu CONSTANTE (NÃO DRENADO) DEFORMAÇÃO ε Figura Critérios de Ruptura para Solos. O critério de máxima tensão desviadora, ou pico da curva tensãodeformação é um dos mais tradicionais associados com a ruptura de corpos-deprova. No entanto, nem sempre a curva tensão-deformação apresenta pico, e outro critério de ruptura deve ser estabelecido. O critério de máxima razão entre as tensões principais é particularmente útil para solos nos quais a tensão desviadora continua a aumentar com o aumento das deformações. Possibilita a avaliação da não linearidade da envoltória de ruptura. Para solos nos quais grandes deformações são necessárias para mobilizar a resistência cisalhante, uma condição de deformação limite pode ser mais apropriada do que as anteriores.

25 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 573 Se forem impostos grandes deslocamentos ao corpo de prova, sob tensão normal contínua, então a resistência ao cisalhamento vai continuamente decrescer até atingir um valor constante. Este valor representa a condição residual. A resistência residual tem grande importância na análise de estabilidade de taludes, escorregamentos e em todas as análises de problemas relacionados a grandes deslocamentos. Para a maioria dos solos, a resistência residual é atingida após deslocamentos da ordem de 1 a 5 mm, podendo ser necessários deslocamentos de até 1 m. No entanto, a escolha do critério de ruptura nem sempre é tão óbvia. Quando o solo comporta-se de maneira strain-hardening não há uma ruptura definida na curva tensão-deformação. O critério de ruptura utilizado para esse caso pode ser o de deformação, que, no entanto, é de difícil aplicação uma vez que o acréscimo de deslocamento conduz a parâmetros de resistência sempre superiores. De Campos e Carrillo (1995) propõem um critério de ruptura para solos com comportamento strain-hardening baseado na inclinação da curva tensão-deformação. De acordo com esses autores, a ruptura nesses solos pode ser assumida quando a curva tensão-deformação permanece com uma inclinação constante α, e a tensão cisalhante de ruptura corresponderia ao deslocamento no qual a condição de α constante prevalece (Figura 9.25). TENSÃO CISALHANTE α = cte. α = DEFORMAÇÃO Figura Definição da Tensão Cisalhante na Ruptura (De Campos e Carrillo, 1995, modificado). A curva tensão-deformação do solo estudado não apresentou pico nas tensões de 25 kpa, 2 kpa e 4 kpa conforme pode ser observado na Figura 9.8. Portanto o critério de máxima tensão não pode ser aplicado. A variação da razão entre as tensões principais efetivas e a deformação axial do corpo-de-prova é apresentada na figura abaixo. Apenas para a tensão efetiva de 25 kpa a curva apresenta um valor de pico. Para as tensões de 2 kpa e 4 kpa as curvas apresentam um aumento da razão entre σ 1 e σ 3

26 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 574 com o aumento da deformação axial. De acordo com esse critério não é possível determinar a ruptura do solo. 5 4,5 4 3,5 σ 1 '/σ 3 ' 3 2, kpa 2 kpa 4 kpa 1, Deformação axial (%) 12 Figura 9.26 Curva de razão entre as tensões principais efetivas x deformação axial. Determinando-se como deformação limite as deformações de 2%, 4% e 6% obtêm-se as três envoltórias de ruptura apresentadas nas figuras 9.26 a Os parâmetros de resistência, coesão e ângulo de atrito, de Mohr- Coulomb, são resumidos na Tabela 9.4. Tabela 9.4 Parâmetros de resistência de Mohr-Coulomb para as deformações de 2%, 4% e 6%. Deformação Coesão (kpa) Ângulo de atrito ( ) 2% 58 7,2 4% 32 21,2 6% 24 26,9 Para a deformação de 2% o critério de ruptura de Mohr-Coulomb não proporcionou bom ajuste, pois para esta deformação a envoltória apresenta-se curva. Ao contrário, para as deformações de 4% e de 6% a envoltória linear adequou-se bem.

27 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais Tensão Cisalhante (kpa) Coesão: 58 kpa Ângulo de atrito: 7,2 o 25 kpa 2 kpa 4kPa Tensão Normal (kpa) Figura 9.27 Envoltórias de ruptura para a deformação de 2%. 25 Tensão Cisalhante (kpa) Coesão: 32 kpa Ângulo de atrito: 21,2 o 25 kpa 2 kpa 4kPa Tensão Normal (kpa) Figura 9.28 Envoltórias de ruptura para a deformação de 4%. 25 Tensão Cisalhante (kpa) Coesão: 24 kpa Ângulo de atrito: 26,9 o 25 kpa 2 kpa 4kPa Tensão Normal (kpa) Figura 9.29 Envoltórias de ruptura para a deformação de 6%. Utilizando-se a trajetória de tensões para a determinação da ruptura dos corpos-de-prova, obtém-se para os parâmetros de ruptura do solo os valores de 11 kpa para a coesão e 31,8 para o ângulo de atrito (Figura 9.3). Os eixos de

28 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 576 tensões utilizados na apresentação dos resultados gráficos correspondem a q = (σ 1 -σ 3 )/2 e p = (σ 1 + σ 3 )/2. 25 Tensão, q (kpa) Coesão: 11 kpa Ângulo de atrito: 31,8 o 25 kpa 2 kpa 4kPa Tensão Média Efetiva, p' (σ1' +σ 3')/2 (kpa) Figura 9.3 Envoltória de ruptura de acordo com a trajetória de tensões. Aplicando o critério de ruptura de De Campos e Carrillo (1995), ou seja, assumindo que a tensão cisalhante de ruptura corresponde ao deslocamento a partir do qual a inclinação da curva tensão-deformação permanece com uma inclinação constante α (Figura 9.31), tem-se a envoltória de ruptura apresentada na Figura Tensão Desviadora (kpa) kpa 2 kpa 4 kpa Deformação Axial (%) 12 Figura 9.31 Determinação do ponto de ruptura de acordo com proposição de De Campos e Carrillo, 1995.

29 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais Tensão Cisalhante (kpa) Coesão: 19 kpa Ângulo de atrito: 25,2 o 25 kpa 2 kpa 4kPa Tensão Normal (kpa) Figura 9.32 Envoltória de ruptura de acordo com proposição de De Campos e Carrillo, A Tabela 9.5 resume os parâmetros de resistência obtidos de acordo com as propostas de ruptura para os ensaios triaxiais e os parâmetros de ruptura obtidos dos ensaios de cisalhamento direto apresentados no Capítulo 8. As envoltórias de ruptura estão apresentadas na Figura Observa-se que a envoltória definida pela deformação de 2% situa-se afastada das demais, indicando que para esse nível de deformação o solo ainda não atingiu a ruptura. A envoltória definida pela trajetória de tensões no gráfico de p x q apresenta um valor para o ângulo de atrito bastante superior e, para níveis de tensão normal acima de 2 kpa a resistência ao cisalhamento fornecida por essa envoltória é mais elevada. A envoltória definida por de Campos e Carrillo (1995) fornece valores médios de resistência e, portanto, deverá ser adotada no presente trabalho. Tabela 9.5 Parâmetros de resistência de Mohr-Coulomb de acordo com os critérios de ruptura. Ensaio Critério de ruptura Coesão (kpa) Ângulo de atrito ( ) Triaxial Deformação 2% 58 7,2 Deformação 4% 32 21,2 Deformação 6% 24 26,9 Trajetória de tensões 11 31,8 De Campos e Carrillo, ,2 Cisalhamento Deslocamento de 12 mm 2,3 26,5 direto Deslocamento de 6 mm 21 23,4

30 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais Cisalhamento direto - deslocamento de 6 mm 25 Cisalhamento direto - deslocamento de 12 mm Triaxial - deformação 2% Tensão cisalhante (kpa) Triaxial - deformação 4% Triaxial - deformação 6% Triaxial - trajetória de tensões Triaxial - de Campos e Carrillo, Tensão normal (kpa) Figura 9.33 Envoltórias de ruptura para o solo Marrom saturado Ensaios Triaxiais Não Saturados O objetivo da realização de ensaios triaxiais não saturados é o de fornecer dados que auxiliem o entendimento do comportamento de solos residuais e para futuras pesquisas na área de modelagem numérica que tenham por finalidade desenvolver um modelo de comportamento desses solos. Foram realizados ensaios de tensão controlada e deformação controlada que são descritos nos itens e , respectivamente Equipamento Utilizado Os ensaios triaxiais não saturados foram executados na mesma prensa tipo Bishop-Wesley utilizada para os ensaios saturados. A prensa foi adaptada para que o controle de sucção fosse realizado por translação de eixos com pedra porosa de alto valor de entrada de ar de 2 bar instalada na base da célula triaxial. A aplicação da pressão de ar foi efetuada pelo topo e a pressão de água pela base. O sistema de controle das pressões confinante e pressão de água na base da amostra foram realizados pelos motores de passo descritos no item O controle da pressão de água foi realizado por uma válvula reguladora de pressão (Marsh Bellofram, 27).

31 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 579 O esquema da disposição dos equipamentos para realização dos ensaios triaxiais está mostrado na Figura Foram utilizadas medidas internas de deformação para a determinação das variações de altura e diâmetro do corpode-prova. Os instrumentos de medida interna são idênticos aos utilizados nos ensaios saturados e que foram descritos no item Figura 9.34 Esquema de disposição dos equipamentos para realização dos ensaios triaxiais não saturados Metodologia Empregada A definição dos valores de sucção para a execução dos ensaios triaxiais foi realizada em função da curva característica apresentada pelo solo Marrom e da capacidade da pedra porosa de alta entrada de ar utilizada. Os ensaios triaxiais foram conduzidos com a aplicação de sucção constante de 5 kpa e de 15 kpa. As tensões normais líquidas utilizadas foram de 35 kpa, 7 kpa e 15 kpa, em ensaios de compressão axial regidos por tensão controlada e deformação controlada. A tabela abaixo resume as características dos ensaios que foram conduzidos no solo Marrom.

32 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 58 Tabela 9.6 Ensaios triaxiais não saturados. Ensaio Sucção (u a u w ) (kpa) Tensão Normal Líquida (σ n u a ) (kpa) Trajetória Sucção controlada Compressão axial com tensão controlada u w = 3 kpa Sucção controlada Compressão axial com tensão controlada u w = 1 kpa Sucção controlada Compressão axial com deformação controlada u w = 1 kpa Para a imposição da sucção nos corpos-de-prova, foi utilizado o método de equilíbrio de vapor (Jucá, 199; Röhm, 1997). As amostras de solo foram colocadas em dessecadores com solução de cloreto de sódio para controle do teor de umidade da atmosfera (ver Capítulo 6, item 6.1). A concentração da solução foi determinada em função da sucção desejada para os ensaios triaxiais. As amostras permaneceram no dessecador por um período mínimo de 3 dias. Após esse período o corpo-de-prova era colocado na câmara triaxial para imposição da sucção matricial. A pressão de ar foi aplicada no topo do corpo-deprova e a pressão de água aplicada na base do corpo-de-prova. A drenagem ocorria pela base com pedra porosa de alto valor de entrada de ar que estava conectada a um medidor de variação de volume. Considerou-se que a sucção estava equalizada após a cessão de fluxo (Fredlund e Rahardjo, 1993), o que ocorria, normalmente, em 24 horas. A Figura 9.35 apresenta a variação de volume de água de um corpo-de-prova durante o período de estabilização na câmara triaxial. Os ensaios com tensão controlada foram conduzidos na taxa de 1 kpa/hora e os ensaios com deformação controlada foram conduzidos na velocidade de,6 %/hora. O tempo de cisalhamento no ensaio, tanto para aqueles realizados com tensão controlada como os de deformação controlada, foi de 4 dias.

33 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 581,2, -,2 Variação Volume (cm³) -,4 -,6 -,8 -,1 -, Tempo (minutos) Figura 9.35 Curvas de variação de volume de água durante estabilização do corpo-deprova na câmara triaxial Resultados Obtidos Ensaios com Tensão Controlada Os ensaios triaxiais com sucção controlada foram realizados com dois valores de sucção, 5 kpa e 15 kpa. Para os ensaios com 5 kpa de sucção foi usada poro-pressão de água igual a 3 kpa, e para os ensaios com 15 kpa de sucção a poro-pressão de água foi de 1 kpa. A equalização da sucção inicial dos corpos-de-prova foi realizada conforme metodologia descrita no item Os índices físicos de cada corpo de prova podem ser vistos na Tabela 9.7 e na Tabela 9.8. Tabela 9.7 Dados dos corpos-de-prova dos ensaios triaxiais de sucção 5 kpa. SUCÇÃO - 5 kpa Tensão normal líquida (kpa) 35 7a 7b 15 Teor de umidade (%) 26,6 3,35 27,27 29,51 Peso Específico Natural (kn/m³) 18,53 17,56 18,48 17,92 Peso Específico Seco (kn/m³) 14,64 13,47 14,52 13,84 Porosidade,45,49,45,48 Índice de Vazios,82,98,83,93 Grau de Saturação (%) 86,38 82,7 87,5 84,92 Peso do corpo-de-prova (gf) 185,8 166,22 174,2 166,7

34 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 582 Tabela 9.8 Dados dos corpos-de-prova dos ensaios triaxiais de sucção 15 kpa. SUCÇÃO - 15 kpa Tensão normal líquida (kpa) Teor de umidade (%) 29,59 27,71 28, Peso Específico Natural (kn/m³) 19,18 17,52 16,79 Peso Específico Seco (kn/m³) 14,8 13,74 14,3 Porosidade,44,48,47 Índice de Vazios,8,94,9 Grau de Saturação (%) 82,91 78,7 82,99 Peso do corpo-de-prova (gf) 177,29 166,72 134,6 Apesar de não ocorrerem variações na quantidade de água dos corpos-deprova após o período de 24 horas com a sucção aplicada na amostra na prensa triaxial, observa-se que os teores de umidade dos corpos-de-prova variam para uma mesma sucção. Para a sucção de 5 kpa, os teores de umidade estão entre 26,6% e 3,35%, e para a sucção de 15 kpa os teores de umidade estão entre 27,71 e 29,59%. Esta variação pode ser decorrente da própria heterogeneidade do material. Embora os ensaios triaxiais não saturados tenham sido feitos com dois blocos apenas ( e ), existe uma alteração de índices físicos. Conforme já ressaltado em capítulos anteriores, a variação de parâmetros como mineralogia, porosidade e cimentação nestes solos pode ser responsável pela heterogeneidade de comportamento. Também, neste trabalho optou-se por separar os diferentes materiais encontrados no perfil por uma característica visual, e pode-se dizer que subjetiva, que é a coloração das amostras. Como a transição entre materiais é gradual e não brusca, a separação em grupos pode reunir materiais diferentes em alguns pontos e materiais similares em outras características podem estar em grupos distintos. Nas figuras 9.34 e 9.35 estão reproduzidas as curvas características dos solos Marrom e Vermelho (ver Capítulo 6). Cada ponto destas curvas foi determinado a partir de uma amostra diferente e, portanto, essas curvas representam um comportamento médio daquelas amostras similares, mas não iguais. Observa-se que na curva característica do solo Marrom a sucção de 5 kpa equivale a um teor de umidade de 33%, e a sucção de 15 kpa é representada por um teor de umidade de 3 %. Na curva do solo Vermelho a sucção de 5 Kpa é obtida em um teor de umidade de 29% e a sucção de 1 kpa é obtida em um teor de umidade de 29%. Esses valores indicam que os blocos utilizados apresentam características hidráulicas mais próximas à curva característica do solo Vermelho.

35 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 583 Para os ensaios realizados com tensão controlada, a ruptura dos corposde-prova ocorreu de forma brusca, frágil, com a formação de um ou dois planos nítidos de ruptura, conforme pode ser visto na Figura 9.38 para as amostras cisalhadas com sucção de 5 kpa e na Figura 9.39 para as amostras cisalhadas com sucção de 15 kpa. A única exceção é o corpo-de-prova D, de tensão normal líquida de 15 kpa. A diferença de comportamento na ruptura do solo residual deve-se à distribuição de poros, que depende da estrutura do solo, mais precisamente da mineralogia e do arranjo das partículas. A ruptura dúctil parece que está associada à distribuição uniforme de poros, que pode ser conseguida adensando o solo sob altas tensões. Ao contrário a ruptura frágil está associada à má distribuição de poros, o que facilita a concentração de tensão ao longo dos vazios (Futai, 22). 5 Teor de Umidade Gravimétrica (%) ,1 1, 1, 1, 1., 1., 1., Sucção Matricial (KPa) Figura 9.36 Curva característica do solo Marrom. 5 #REF! FALSO 1 Teor de Umidade Gravimétrica (%) ,1 1, 1, 1, 1, 1, 1, Sucção Matricial (KPa) Figura 9.37 Curva característica do solo Vermelho.

36 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 584 (a) (b) (c) (d) Figura 9.38 Corpos-de-prova dos ensaios triaxiais com sucção controlada de 5 kpa. Ensaios com tensão controlada. (a) Corpo-de-prova A - Tensão normal líquida de 35 kpa. (b) Corpo-de-prova B - Tensão normal líquida de 7 kpa. (c) Corpo-de-prova C - Tensão normal líquida de 7 kpa. (d) Corpo-de-prova D - Tensão normal líquida de 15 kpa.

37 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 585 (a) (b) (c) Figura 9.39 Corpos-de-prova dos ensaios triaxiais com sucção controlada de 15 kpa. Ensaios com tensão controlada. (a) Corpo-de-prova E - Tensão normal líquida de 35 kpa. (b) Corpo-de-prova F - Tensão normal líquida de 7 kpa. (c) Corpo-de-prova G - Tensão normal líquida de 15 kpa.

38 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 586 A Figura 9.4 registra as curvas tensão-deformação dos ensaios com sucção de 5 kpa e a Figura 9.42 os resultados dos ensaios com sucção de 15 kpa. Para a sucção de 5 kpa foram realizados dois ensaios com tensão normal líquida de 7 kpa e um ensaio com tensão de 35 kpa e outro com tensão de 15 kpa. Para a sucção de 15 kpa foi realizado um ensaio para cada tensão normal líquida citada anteriormente. As curvas dos ensaios com tensão controlada serão utilizadas para a análise do comportamento tensão-deformação do solo. Para a sucção de 5 kpa apenas um corpo-de-prova apresentou curva tensão-deformação com pico de resistência. Inclusive esse ensaio, com tensão normal líquida de 7 kpa, apresentou um valor de resistência ao cisalhamento bastante superior. O outro corpo-de-prova de tensão 7 kpa e o corpo-de-prova com tensão de 35 kpa romperam bruscamente e, devido ao tipo de ensaio (tensão controlada) não foi possível obter o comportamento pós-ruptura. O ensaio de 15 kpa apresentou maior deformação radial do que os demais, e o ensaio de 7 kpa que apresentou pico foi o que apresentou menor deformação radial. As leituras de deformação radial deste ensaio foram até pouco mais de 5%, quando o curso do instrumento não foi mais suficiente. Para a sucção de 15 kpa, também o ensaio de tensão normal líquida de 7 kpa apresentou pico de resistência na curva tensão-deformação. Os demais ensaios também romperam bruscamente. A deformação radial até aproximadamente 3% de deformação axial foi praticamente igual para todos os níveis de tensão normal líquida investigados.

39 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais kpa 7 kpa Tensão cisalhante (kpa) kpa 35 kpa Deformação Axial (medidor interno) (%) Figura 9.4 Ensaio triaxial de sucção controlada igual a 5 kpa, tensão controlada. Curvas tensão-deformação Deformação radial (medidor interno) (%) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1, kpa 7 kpa 7 kpa 35 kpa, Deformação axial (medidor interno) (%) Figura 9.41 Ensaio triaxial de sucção controlada igual a 5 kpa, tensão controlada. Curvas deformação radial-deformação axial. 1

40 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais kpa Tensão cisalhante (kpa) kpa 15 kpa Deformação axial (medidor interno (%) 14 Figura 9.42 Ensaio triaxial de sucção controlada igual a 15 kpa, tensão controlada. Curvas tensão-deformação. 1 9 Deformação radial (medidor interno) (%) kpa 7 kpa 15 kpa Deformação axial (medidor interno) (%) 1 Figura 9.43 Ensaio triaxial de sucção controlada igual a 15 kpa, tensão controlada. Curvas deformação radial-deformação axial.

41 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais Ensaios com Deformação Controlada Além dos ensaios com tensão controlada descritos no item precedente, a relação tensão-deformação do solo Marrom não saturado foi estudada também através de ensaios de deformação controlada. Os ensaios foram conduzidos com sucção constante de 15 kpa nas tensões normais líquidas de 35 kpa, 7 kpa e 15 kpa. A Tabela 9.9 resume as características dos ensaios executados e dos corpos-de-prova. Os corpos-de-prova foram moldados a partir da amostra Tabela 9.9 Dados dos corpos-de-prova ensaiados à deformação controlada com sucção de 15 kpa. SUCÇÃO - 15 kpa Tensão normal líquida (kpa) Teor de umidade (%) 27,91 28,68 27,6 Peso Específico Natural (kn/m³) 19,4 17,6 17,64 Peso Específico Seco (kn/m³) 14,88 13,68 13,88 Porosidade,44,48,48 Índice de Vazios,79,94,91 Grau de saturação (%) 78,9 65,3 76,5 Peso do corpo-de-prova (gf) 181,65 171,74 176,85 Os corpos-de-prova ensaiados à deformação controlada são apresentados na Figura Os elementos ensaiados com as tensões normais líquidas de 35 kpa e 7 kpa apresentam plano de ruptura definido, mas sem deslocamento suficiente para separação em dois corpos. Já o corpo-de-prova ensaiado com tensão de 15 kpa rompeu em um plano situado na metade superior do elemento. Essa ruptura foi similar à do corpo-de-prova também de tensão normal de 15 kpa e sucção de 5 kpa (Figura corpo-de-prova d). A Figura 9.45 apresenta as curvas tensão cisalhante versus deformação axial para os três ensaios executados e a Figura 9.46 mostra a variação da deformação radial versus a deformação axial. As medidas de deformação axial e radial foram efetuadas com medidores internos. A medida de deformação radial do ensaio de 15 kpa apresentou muita variação, o que prejudica um pouco a análise do resultado. As curvas de tensão normal líquida de 35 kpa e 7 kpa apresentaram pico de resistência, enquanto a curva de 15 kpa não apresenta uma ruptura nítida.

42 9 Investigação Experimental: Comportamento sob o Estado de Tensões Triaxiais 59 (a) (b) (c) Figura 9.44 Corpos-de-prova dos ensaios triaxiais com sucção controlada de 15 kpa. Ensaios com deformação controlada. (a) Corpo-de-prova H - Tensão normal líquida de 35 kpa. (b) Corpo-de-prova I - Tensão normal líquida de 7 kpa. (c) Corpo-de-prova J - Tensão normal líquida de 15 kpa.